Evaluation des solutions d’encapsulation quasi-hermétique pour les composants actifs hyperfréquences

Evaluation of non-hermetic packaging solutions for active microwave devices and space applications

• Auteur / Autrice : Walim Ben Naceur
• Direction : Nathalie Malbert, Nathalie Labat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 13/06/2013
• Etablissement(s) : Bordeaux 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde) - Laboratoire de l'intégration du matériau au système / IMS
• Jury : Président / Présidente : Jean-Michel Dumas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hélène Fremont, Jean-Luc Muraro, Barbara Bonnet, Jean-Luc Roux, Dominique Carisetti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Michel Dumas, Kaspar M. B. Jansen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Satellites artificiels

Semiconducteurs à l'arséniure de gallium

Encapsulation (électronique)

Fiabilité

Composants électroniques

Mots clés libres

GaAs

Encapsulation plastique

Test THB

Fiabilité

Spatial

Herméticité

AsGa

Plastic packaging

THB aging test

Reliability

Space

Hermeticity

Résumé

Les composants hyperfréquences embarqués dans des satellites utilisent actuellement l’encapsulation hermétique dans des boîtiers métalliques ou céramiques. La très forte amélioration des matériaux organiques en termes de dégazage et d’impureté ionique notamment rend possible l’utilisation de solutions quasi-hermétiques pour l’environnement spatial. Les encapsulations plastiques ouvrent des perspectives avérées de gain de dimension et de coût. La validation d’une technologie d’encapsulation repose sur la réalisation d’essais de fiabilité normatifs (1000 heures à 85°C et 85% d’humidité relative). Ces essais sont applicables quels que soient le profil de stockage de la mission, le type d’encapsulation et la technologie des composants utilisés. Les conditions de réalisation de ces essais ne sont pas clairement définies, par exemple l’application ou pas d’un fort champ électrique au niveau du composant. Or ce seul paramètre devient prépondérant lorsque les conditions sont réunies pour permettre la mise en place de phénomènes de corrosion. Ces travaux de thèse se sont axés sur la compréhension des mécanismes de défaillance mis en jeu dans des tests de vieillissement accéléré en chaleur humide. Pour cela, une méthodologie a été mise en œuvre pour établir les signatures électriques en statique de composants défaillants de deux filières technologiques de MMICs GaAs. Ces tests ont été reproduits sur des composants avec et sans encapsulation par une résine époxyde chargée silice, déposée selon le procédé dam-and-fill. Ainsi, il a été possible de distinguer les défaillances liées à la dégradation intrinsèque des composants, de l’effet protecteur ou non de l’encapsulation plastique. En parallèle, le comportement d’échantillons de résines sous différentes ambiances de chaleur humide a été testé et une modélisation a été proposée pour prédire leur prise d’humidité. Concernant l’effet de l’encapsulation par dam-and-fill, les résultats obtenus ont été contradictoires et dépendant des lots de composants. Ces résultats sont à pondérer par la taille restreinte de l’échantillonnage des files de test. En effet, pour la technologie représentative de cette étude, la présence d’une encapsulation plastique, pour un premier lot de composants, a eu tendance d’une part, à ne pas éviter ni même retarder l’apparition de fuites électriques, et d’autre part à aggraver ces dégradations, au point de mener à des défaillances dans la majorité des cas. De plus, des doutes subsistent sur la qualité de ce lot, notamment celle de la passivation. Pour un second lot de composants testés de technologie identique, il a été observé une amélioration de la résistance à l’humidité des composants encapsulés, vis-à-vis des puces nues. L’analyse de défaillance des composants encapsulés est extrêmement difficile car il faut pouvoir accéder aux défauts à la surface, voire sous la surface, du composant protégé. Une solution alternative a donc été cherchée afin de contourner les problèmes posés par la présence du matériau d’encapsulation. La nouvelle approche proposée combine la thermographie infrarouge avec la méthode du point chaud, l’imagerie en optique et l’analyse aux rayons X. Le défaut est tout d’abord localisé par la face avant, malgré la présence de la résine d’encapsulation. Ensuite, la transparence du substrat GaAs aux infrarouges permet des observations par la face arrière du composant. Une méthodologie de préparation relativement simple et rapide a pu être proposée et sa faisabilité démontrée.

Microwave devices for satellite applications are encapsulated in hermetic packages as metal or ceramic housings. The strong improvement of organic materials, especially outgassing and ionic impurity characteristics, makes it possible to use them as non-hermetic packaging solutions for space environment. Plastic encapsulations open proven gain perspectives of miniaturization and cost. The validation of an encapsulation technology is based on the achievement of standard reliability tests, typically 1000 hours at 85°C and 85% of relative humidity. Such tests are applicable regardless of the mission storage profile, devices and packaging technology. Moreover, the conditions of these tests are not clearly defined, e.g. the application or not of a strong electric field to the component. Yet this single parameter becomes dominant when the conditions are met to allow corrosion mechanisms, e.g. by the presence of condensed water and ionic contamination. This thesis focused on understanding the failure mechanisms that can occur during accelerated aging tests in high temperature and high humidity environment. For this work, a methodology has been implemented to establish DC electrical signatures of two different AsGa MMIC technologies. These tests were replicated on components with and without encapsulation by a silica-filled epoxy resin, dispensed by the dam-and-fill process. Thus, it was possible to distinguish failures due to the intrinsic degradation of the components from the effective protection or not of the plastic encapsulation. In parallel, the behavior of resin samples under different moist and heat atmospheres has been tested and a modeling was proposed to predict their moisture uptake. Concerning the effect of the dam-and-fill encapsulation technology, the results were contradictory and dependent of components batch. These results are to balance by the relatively limited size of the sampling for each test series, with and without encapsulation. Indeed, for the representative technology of this work, the presence of dam&fill encapsulation on a first batch of components has tended on one hand not to avoid nor even to delay the appearance of electric leakage, and on the other hand to aggravate these damages in the point to lead to failures in most of cases. Furthermore, doubts remain on the quality of this batch, especially regarding the passivation. For a second batch of devices with the same technology, an improvement of the humidity resistance was observed for encapsulated devices, compared to bare devices. In the failure analysis process of encapsulated devices, it is not possible to access directly to the observation of a defect at its surface. We therefore sought an alternative to overcome the problems represented by the encapsulating materials. A new approach was proposed. It combined infrared thermography method in hot spot mode, X-ray imaging and optical observations. We first located the defect from the front side of the encapsulated device. Then, the transparency of the AsGa substrate allowed infrared observations by the back side of the component. A relatively rapid and simple methodology was proposed and its feasibility demonstrated.